文摘

本研究调查的影响轴负载在铁路车轮材料的磨损率。过度磨损轮轨材料的寿命和减少轮轨系统可能造成的轴负载和交通量的增加。两种类型的铁路和车轮钢研究了针对不同的轴负载步骤,模拟他们穿性能分析使用多体仿真软件SIMPACK和MATLAB编程。验证了仿真模型的结果对车辆的规格和磨损深度测量Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨(轻轨),从文献和实验结果。结果表明,磨损率增加比例应用负载的增加,比例系数为0.1393,与实验结果具有很好的协议从文学的作品。同样,估计总里程为52000公里后胎面磨损量大于2%的测量在轻轨交通,这确实是一个优秀的结果考虑车轮直径误差计用来测量车轮横向概要文件。在规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮,磨损率线性增加从5110.02,9997.87和18990.17毫米³11日/公里,21岁,分别应用负载和30音调。显然,在硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮资料、磨损率提高了14.5%,10.8%,和7.5%,11日21日和30音调应用负载,分别相比,规范化轨/轮比赛。短暂,车轮磨耗率深受外加负载增加,比例系数为0.1393。

1。介绍

轮轨界面起着基本的作用在确定铁路运输的可靠性,特别是对于载重和高速铁路。众所周知,铁路轴负载和交通量的增长导致轮轨材料的过度磨损,使用寿命显著降低了轮轨系统(1]。轮轨接触面积通常是一个小硬币的大小,和周围的材料和接触面积是高度紧张。高磨损率可能会对这种联系,和精心设计的主要悬挂是必不可少的最小化这些负载正轨的影响生活和轮生活(2]。最大力量应用通过车轮和钢轨机制取决于两个参数的接触表面的摩擦系数和轴向载荷2]。一个停滞或下滑的现象发生在车轮旋转扭矩的影响下地铁。实现最大附着系数在高速插入通常是通过使用特殊材料车轮之间的接触面积和铁路除了增加摩擦系数。

Windarta等人用针盘上确定载荷对磨损率的影响和磨损机制在钢轨钢材料(3]。研究使用相同材料下销和磁盘测试100转的转速。方程确定了减肥:

在哪里销的质量,销的质量密度,接触的面积,材料去除的深度在滑动的时间吗t。实验结果表明,磨损率和损失增加的比例系数0.1135应用负载的增加,数据1(一)和1 (b),分别。

四种钢轨钢进行了测试研究轮轨材料的磨损行为下的三轴加载(4]。铁路磁盘是由四种钢轨钢的热轧U71Mn,淬火U71Mn,热轧U75V,和淬火U75V,而车轮磁盘CL60轮钢做的。Rolling-sliding穿测试进行模拟火车穿过一条直线使用MMS-2A Rolling-sliding测试装置。结果表明,轴负载的增加不仅显著增大磨损损失也疲劳裂纹的深度和长度。之间的关系总穿轮轨系统的损失和硬度比表明,轮轨钢的硬度比略有影响总穿损失在低轴负载;然而,硬度下降比率扩大总穿高轴负载损失明显。增加有效的轴负载的影响摩擦系数可用在高速铁路轮轨界面操作被数值模拟[量化5]。数值分析模拟列车运行操作速度160公里/小时,最大运行速度的火车在印度铁路运行日期(Gatimaan表达的操作速度运行德里和阿格拉之间)。火车车轴载荷的模拟进行了20 - 32.5音调的范围,分析轴负载的影响有效的摩擦系数可以在轮轨界面。研究结果表明,净摩擦系数可以在轮轨接触有增加的趋势与应用的轴负载的增加。多重线性回归分析(MLRA)方法用于识别影响参数对铁路穿(6]。这项研究调查交通荷载和轨道参数的影响,包括轨道曲率、超高,和列车速度、垂直和横向铁路穿。结果显示MLRA垂直和横向穿,交通负荷显著影响的纵向和横向铁路穿;然而,轨道曲率、超高和列车速度。

简单地说,基于这些先前的研究,发现只有铁路材料磨损(3,4,6]。除此之外,同样的材料是用于销和磁盘测试(3]。钢结构被认为是组成材料对轮对和rails,极限抗拉强度880 MPa,和材料应该遵循一个双线性各向同性硬化行为,和变化的有效摩擦系数在轮轨界面的绘制,关于应用的轴负载的变化而不是磨损率计算(5]。在目前的研究中,两种轨钢和车轮钢对轨/轮匹配进行测试调查下轮材料的磨损行为三种轴负载。规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件和硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮资料研究了针对不同的轴负载步骤,模拟他们穿性能分析使用多体仿真软件SIMPACK和MATLAB编程。拟议中的仿真结果验证方法对车辆的规格、脱轨系数和最大侧向力,从文献与实验结果相比。提前,磨损深度测量的最终车辆的车轮踏面磨损Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨(轻轨)11吨axel负载和里程52000公里与数值模拟的结果进行比较。这项研究的最终结果与文献的实验结果进行验证。

2。材料和方法

2.1。方法

从数学的角度来看,轮轨接触问题可以解决使用以下四个步骤(7]。第一步是解决几何问题,其次是正常的接触问题,形状和大小的印迹形成接触界面由于身体变形。第三步是解决运动问题,规范化的运动学量,所谓的漏电,决心。最后,切向问题解决;切向应力的预测这个问题请联系接口。的主要目标是调查和确定轴载荷对磨损率的影响和车轮材料的磨损机理与硬度的关系。图2显示了砂轮磨损预测方法。

从SIMPACK,我们发现蠕变和蠕变计算T_伽马和印迹。接下来,vehicle-track模拟的输出,这是正常的,接触椭圆半轴的大小,接触补丁位置(中心)的横向协调,和蠕变(包括自旋),磨损模型的输入形式。磨损模型,在MATLAB分别开发,涉及大量接触表面的磨损深度剖面,然后穿分布计算。戴深度估计创建一个穿轮概要。最后,磨损分布和每个穿的新车轮轮廓平滑步骤使用三次样条插值算法。然后,更新(穿)概要作为初始概要在下面穿的一步。这样,两轨/轮材料配以不同的轴负载,直到所需的模拟运行的距离。为了避免预测车轮轮廓偏离的可能性成不切实际的形状,最大允许穿深度垂直于配置文件设置为0.1毫米(8]。穿的效果和机制axel负载的柔软和困难轨/轮匹配材料将对实地测量和验证实验结果;和axel载荷和材料硬度的影响轮子穿已经确定。

2.2。应用程序

现在穿预测工具应用于车辆操作Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨交通的通勤铁路网络。在轻轨车辆提供运输服务的两个主线:东西线和其他南北线。线的总长度31.025公里,那里的东西干线长约16.99公里,南北干线长约16.689公里(9]。这两条线2.662公里部分份额。表1显示的一般技术参数和条件的国家铁路货车埃塞俄比亚(来源:铁路公司、滚动库存规格)。

我们设置一个新的匹配轨/轮材料与传统的车轮和钢轨材料(硬化UIC 60公斤/米和S1002轮配置文件)和一个匹配的轨/轮材料具有类似属性的Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨交通规范(规范化UIC 50公斤/米铁路和S1002轮)基于它们的硬度特性和(表2)。这两个轨/轮材料测试与不同的轴负载(11、21和30吨)以相同的速度,运行距离,和其他操作参数。

2.3。测量车轮的磨损

在埃塞俄比亚,轻轨车辆在仓库日常维护、年度、季度和月度。在轮工作坊的偿债日期重新调整,地板下车轮车床用于re-profile车轮(图3(一个))。轮子的穿亚的斯亚贝巴轻轨交通是使用拨号类型测量的线轮直径测量(图3 (b))。直接测量是车辆轮轴没有转出。直径的测量是根据“三个点”执行的技术,没有完整的轮报道。拨号类型轮直径的测量是一个高度精确的铁路车轮直径测量装置,精度优于0.05毫米。表包含一个数字显示给车轮直径值和包含结果转移到轮副的磨损的蓝牙接口数据库管理系统(图3 (c))。

受欢迎的轮偿债日期重新调整车间进行磨损测量从2017年3月到2017年1月。在加工之前,轮踏板使用仪器检测。加工后,轮踏板再次使用相同的测量设备。测量结果如表所示3。五车平均运行里程52000公里检查在受欢迎的仓库。表3显示了摘要的车辆检查与胎面直径受欢迎得宝。

3所示。磨损预测模型

三维多体模型和一个穿模型被用来预测穿铁路车轮切线上运行。vehicle-track相互作用的动力学仿真提供了力量,车轮和铁路概要文件可以体验。磨损模型计算磨损量在方向盘上的概要文件使用的输出vehicle-track交互仿真(力,漏电,semiaxes接触椭圆)作为输入。戴深度计算创建一个穿轮概要。然后,磨损分布和每个穿的新车轮轮廓平滑步骤使用三次样条插值算法。这个概要文件的平滑过程是一个重要的点磨损预测模型。因为他们改变了运行一些里程后,车轮概要文件应该更新,和一个新的计算接触力的牵引,应该执行。过于频繁的概要文件更新可能导致不必要的计算工作量,增加两个计算里程可能导致错误在最后穿轮轮廓甚至发散的数值程序由于大半轮多体中的概要信息的代码。敏感性分析表明,0.1毫米的阈值是非常适合保证良好的精度,同时,不会导致过度的计算工作8]。穿轮概要文件必须平滑,避免短的波长的凹陷了沿轮资料,结合移动平均线应用于累积磨损深度在配置文件更新和立方平滑样条用于更新配置文件之前穿的开始一个新的迭代模型。

3.1。Vehicle-Track交互

80公里/小时的车辆模型Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨列车在整个软件SIMPACK,由开发与车身动态刚性多体模型,两个转向架支持,两个转向架帧,两个牵引联系群众,四个轮副,和八个轴箱由线性和非线性悬架连接元素(90自由度),图4(一)。身体之间的连接元素是模仿真实和可靠的。令人害怕的是模仿,包括所有方面的系统(图4 (b))。SIMPACK模型已经完成复制每个暂停的功能特征水平的最佳方式。多体的输入代码车辆参数和速度,车轮和铁路概况、灵活性,理想的几何线,轮子和铁路违规行为。轮和铁路概要文件所描述的离散点,从而能够更新配置文件的过程采用计算轮轨接触力。这认为接触一个轮子和铁路可能在多个地方同时发生。图4说明了MBS vehicle-track数值模型,利用田间试验进行验证。

3.2。轮轨接触模型

轮轨接触面积通常是一个小硬币的大小,一般,八个联系人(即。,eight wheels) support a vehicle weighing from 30 t (lightweight passenger coach) to 140 t and more (heavy freight). The material in and around the contact area is therefore highly stressed. High wear rates might be expected for such contact, but, in addition, the load is applied and removed many times during the passage of each train [1]。不同的数值方法来估计存在法向力对于一个给定的印迹。椭圆拟合在接触面积,使用赫兹理论计算法向力,称为等效椭圆的方法。使用这种方法计算工作量非常低,在铁路仿真是必不可少的。切线的问题是解决高速模拟器(FASTSIM)算法基于简化理论由石灰和已广泛应用于铁路车辆计算机程序(10]。FASTSIM可以计算的压力分布和蠕变部队接触面积,根据提供的信息关于正常的接触问题11]。蠕变是滑动速度的比率( )和车辆速度( )。它可以分为三个部分:纵向蠕变,旋转横向蠕变和蠕变12]。 ξx,ξy,纵向、横向和旋转漏电,分别。

蠕变力非线性蠕变函数和自旋的接触面积的最大值μN;然而,这个问题可以被视为线性蠕变时认为是小(11]。

3.3。磨损模型

Archard穿方程是基于粗糙面接触理论,开发多晚于耗散能量假说。两个科学家到达相同的结论的碎片移除由于摩擦力所做的功成正比。在目前的研究中,Archard定律(8,10- - - - - -12)和FASTSIM用于计算磨损量。Archard的磨损模型表明,材料损坏的体积成正比的滑动距离乘以法向力和磨损材料的硬度成反比13]。 在哪里是磨损系数(−),年代[m]是[m],滑动的距离N法向力[N],H材料的硬度(N / m²]。可以被描述为(12),

磨损系数穿地图(图5)可以确定与水平轴上的滑动速度和接触压力在纵轴上。

根据Archard,由于滑动距离是零(零滑动速度),没有穿的粘区域联系人(8,12]。每个细胞的磨损深度元素([m])可以计算: 在哪里的接触压力(N / m²]。磨损深度,∆z,假定初始磨损行为的方向正常未变形的车轮和钢轨断面。滑动距离∆年代可视为一个轮子的距离通过有关细胞元素粒子幻灯片。

4所示。仿真结果的分析和预测

磨损分析完成的名义和穿轮配置文件之间的叠加两轨/轮材料匹配;当前Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨车轨/轮匹配(规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮)和rim热处理S1002轮和整体热处理UIC 60铁路(硬化UIC 60公斤/米和S1002轮),评估轴负载的影响车轮材料的磨损率和机制有关材料硬度。

4.1。模型验证

模拟Ethiopian-Addis亚的斯亚贝巴轻轨交通车辆模拟直线轨道上运行速度为70公里/小时。穿的验证预测模型的研究中,在我们继续进行之前,主要场景建模和仿真,结果验证了对车辆的规格、脱轨系数,最大侧向力。从图6(一),它可以观察到的脱轨系数满足标准( )。因此,在图6 (b),侧向力也满足标准 kN根据UIC 518, 2005。

4.2。与实地测量

在数据7(一)和7 (b),磨损深度测量的最终车辆的车轮踏面磨损Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨11吨axel加载和里程52098公里的相比,数值模拟的结果执行。落后于列车单元操作的东西线(2 xx)选择自驱动轴和踩刹车动力装置将该工具进一步复杂化。拖曳单元只配备盘式制动器,它是合理的假设所有磨损是由于滚动接触。计算结果表明,数值模拟使用轮子执行概要磨损预测模型很好地同意测量。可以肯定的是,估计总里程为52000公里后胎面磨损量大于2%的实验,这的确是一个非常好的结果考虑到组件的轮磨损预测模型是调整和校准。此外,车轮直径误差计用来测量车轮横向剖面应考虑。

4.3。轴负载和硬度影响砂轮磨损

探讨轮材料的磨损轴负载和材料硬度的效果。图8说明了负载的影响车轮材料的磨损深度轨/轮加工材料(一个,b)。忽略车轮的载荷对磨损的影响,一个匹配的规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件和硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮的低速列车运行在亚的斯亚贝巴轻轨交通模拟的里程50000公里。磨损测试过程中,正常的部队都申请特定的轨/轮匹配车辆模拟。11的轴负载,21岁,30吨。磨损率的计算是在干燥的条件下车辆时速80 km / h。在第一轨/轮加工,目前Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨车轨/轮加工、铁路和轮硬度是240布氏硬度和200布氏硬度,分别(规范化UIC 50公斤/米铁路和S1002轮)。在这个场景中,最大磨损深度线性增加1.85,2.78,和4.01毫米11日21日和30吨加载(图8(一个)),分别。从分析车轮材料的磨损深度增加0.115应用负载的比例增加。硬化UIC 60 / S1002,铁路和砂轮硬度是350布氏硬度和260布氏硬度,分别(图8 (b)),磨损深度线性增加1.58,2.48,和3.71毫米,11日21日和30吨应用负载,分别;表明,车轮的磨损深度一直在改善硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮材料比较规范化UIC 50 / S1002 11日,21日,30吨。超越,车轮轮材料磨损深度增加0.113应用负载的比例增加,显示应用与有效负载构象的影响。因此,各种轮轨钢的磨损性能之间存在着显著的差异取决于轴载荷的增加以及使用的钢轮的硬度和rails。

图9展示了这两个轮子的磨损率轨/轮材料与应用负载匹配。在规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮,磨损率线性增加从5110.02,9997.87和18990.17毫米³11日/公里,21岁,分别和30吨应用负载。同样,硬化UIC 60 / S1002,磨损率线性增加从4367.54,8917.68和17570.12毫米³11日/公里,21岁,分别和30吨应用负载。这一结果表明,磨损率随外加负载的增加,比例系数为0.1393,这是一个很好的协议Windarta et al。3实验结果。显然,在硬化UIC 60 / S1002,磨损率提高了14.5%,10.8%,和7.5%,11日21日和30吨应用负载,分别归一化UIC相比50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件。

使用更高的轴负载是需要强制执行的效率。在轮轨接触补丁,这通常是一个小硬币的大小,其中八contacts-eight wheels-support车辆重量30 t(一个轻量级的乘客教练)和140(重型货运),一个力存在正常的平面接触,主要是由于铁路上的轮的负载1]。由于物质在接触面积因此高度强调,高穿可能会这样的接触。这些分析结果适应症应用载荷增量的影响在铁路车轮的磨损。结果表明,车轮磨损率增加0.1393应用负载的比例增加。

5。总结

本研究调查的影响轴负载轮材料的磨损率在两轨/轮匹配材料上运行Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨交通。基于上述分析,可以说,不同的轮/轨钢的磨损性能差异很大取决于轴载荷的增加以及使用的钢轮的硬度和rails。规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件和硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮资料研究了针对不同的轴负载步骤,模拟他们穿性能分析使用多体仿真软件SIMPACK和MATLAB编程。磨损预测模型的验证,本研究中,在我们开始之前主要的场景建模和仿真,结果验证了规范的车辆脱轨系数,和最大侧向力;和脱轨系数和侧向力的结果满足标准。此外,磨损深度测量的最终车辆的车轮踏面磨损Ethiopia-Addis亚的斯亚贝巴轻轨11吨的轴负载相比,数值模拟的结果。所以,估计总里程为52000公里后胎面磨损量大于2%的实验,这的确是一个非常好的结果考虑到无论是组件使用的砂轮磨损预测模型的调整和校准。在规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮,磨损率线性增加从5110.02,9997.87和18990.17毫米³11日/公里,21岁,分别施加的负荷和30吨。显然,硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮侧面,铁路和轮的硬度是350布氏硬度和260布氏硬度,分别穿率提高了14.5%,10.8%,和7.5%,11日21日和30吨应用负载,分别归一化UIC相比50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件。这个结果表明,磨损率增加与增加外加负载比例,比例系数为0.1393,一个优秀的协议与实验结果。

6。结论

在本研究中,两种轨道和车轮钢轨/轮匹配进行测试调查下轮材料的磨损行为三种类型的轴负载。磨损特征的归一化UIC 50 / S1002和硬化UIC 60 / S1002材料匹配的里程50000公里在不同的轴负载下进行。根据结果,以下主要结论。(我)基于上述分析,可以说,不同的轮/轨钢的磨损性能差异很大取决于轴载荷的增加以及使用的钢轮的硬度和rails。磨损率线性增加的5110.02,9997.87,和18990.17毫米³/公里,11日21日和30吨外加负载,分别归一化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件。仿真结果表明,磨损率增加0.1393比例,增加轴负载,它同意Windarta et al。实验结果[3]。(2)硬化UIC 60公斤/ m和S1002轮,磨损率提高了14.5%,10.8%,和7.5%,11日21日和30吨应用负载,分别,而规范化UIC 50公斤/ m铁路和S1002轮概要文件。这一结果表明,在实验接受范围内,提高铁路和材料积极影响车轮的速度。(3)简而言之,车轮磨损率高度影响应用负载的增加,比例系数0.1393。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者希望扩展他们的感谢阁下非洲铁路中心(阿尔塞)支持这项研究。这项研究是由世界银行集团。